工程力学教案-(详细讲稿)

理论力学教案1课题第1讲——第一章绪论学时2学时教学目的要求1、掌握工程力学的任务、地位、作用和学习方法，可变形固体的根本假设，工程力学的研究对象〔杆件〕，杆件变形的形的形式。2．理解工程力学的研究对象〔杆件〕的几何特征，使学生对工程力学这门课程的任务、研究对象有一个全面的概念。3．了解工程的开展简史和学习本课程的方法。主要内容1、简单介绍四种根本变形重点难点变形固体及其根本假设教学方法和手段以讲授为主，使用电子教案课后作业练习预习：第二章本次讲稿绪论第一节工程力学的研究对象建筑物中承受荷载而起骨架作用的局部称为结构。结构是由假设干构件按一定方式组合而成的。组成结构的各单独局部称为构件。例如：支承渡槽槽身的排架是由立柱和横梁组成的刚架结构，如图1－1a所示；单层厂房结构由屋顶、楼板和吊车梁、柱等构件组成，如图1－1b所示。结构受荷载作用时，如不考虑建筑材料的变形，其几何形状和位置不会发生改变。图1－1ab结构按其几何特征分为三种类型：〔1〕杆系结构：由杆件组成的结构。杆件的几何特征是其长度远远大于横截面的宽度和高度。〔2〕薄壁结构：由薄板或薄壳组成。薄板或薄壳的几何特征是其厚度远远小于另两个方向的尺寸。〔3〕实体结构：由块体构成。其几何特征是三个方向的尺寸根本为同一数量级。工程力学的研究对象主要是杆系结构。第二节工程力学的研究内容和任务工程力学的任务是研究结构的几何组成规律，以及在荷载的作用下结构和构件的强度、刚度和稳定性问题。研究平面杆系结构的计算原理和方法，为结构设计合理的形式，其目的是保证结构按设计要求正常工作，并充分发挥材料的性能，使设计的结构既平安可靠又经济合理。进行结构设计时，要求在受力分析根底上，进行结构的几何组成分析，使各构件按一定的规律组成结构，以确保在荷载的作用下结构几何形状不发生发变。结构正常工作必须满足强度、刚度和稳定性的要求。强度是指抵抗破坏的能力。满足强度要求就是要求结构的构件在正常工作时不发生破坏。刚度是指抵抗变形的能力。满足刚度要求就是要求结构的构件在正常工作时产生的变形不超过允许范围。稳定性是指结构或构件保持原有的平衡状态的能力。满足稳定性要求就是要求结构的构件在正常工作时不突然改变原有平衡状态，以免因变形过大而破坏。按教学要求，工程力学主要研究以下几个局部的内容。〔1〕静力学根底。这是工程力学的重要根底理论。包括物体的受力分析、力系的简化与平衡等刚体静力学根底理论。〔2〕杆件的承载能力计算。这局部是计算结构承载能力计算的实质。包括根本变形杆件的内力分析和强度、刚度计算，压杆稳定和组合变形杆件的强度、刚度计算。〔3〕静定结构的内力计算。这局部是静定结构承载能力计算和超静定结构计算的根底。包括研究结构的组成规律、静定结构的内力分析和位移计算等。〔4〕超静定结构的内力分析。是超静定结构的强度和刚度问题的根底。包括力法、位移法、力矩分配法和矩阵位移法等求解超静定结构内力的根本方法。刚体、变形固体及其根本假设工程力学中将物体抽象化为两种计算模型：刚体和理想变形固体。刚体是在外力作用下形状和尺寸都不改变的物体。实际上，任何物体受力的作用后都发生一定的变形，但在一些力学问题中，物体变形这一因素与所研究的问题无关或对其影响甚微，这时可将物体视为刚体，从而使研究的问题得到简化。理想变形固体是对实际变形固体的材料理想化，作出以下假设：〔1〕连续性假设。认为物体的材料结构是密实的，物体内材料是无空隙的连续分布。〔2〕均匀性假设。认为材料的力学性质是均匀的，从物体上任取或大或小一局部，材料的力学性质均相同。〔3〕向同性假设。认为材料的力学性质是各向同性的，材料沿不同方向具有相同的力学性质，而各方向力学性质不同的材料称为各向异性材料。本教材中仅研究各向同性材料。按照上述假设理想化的一般变形固体称为理想变形固体。刚体和变形固体都是工程力学中必不可少的理想化的力学模型。变形固体受荷载作用时将产生变形。当荷载撤去后，可完全消失的变形称为弹性变形；不能恢复的变形称为塑性变形或剩余变形。在多数工程问题中，要求构件只发生弹性变形。工程中，大多数构件在荷载的作用下产生的变形量假设与其原始尺寸相比很微小，称为小变形。小变形构件的计算，可采取变形前的原始尺寸并可略去某些高阶无穷小量，可大大简化计算。综上所述，工程力学把所研究的结构和构件看作是连续、均匀、各向同性的理想变形固体，在弹性范围内和小变形情况下研究其承载能力。第四节荷载的分类结构工作时所承受的主动外力称为荷载。荷载可分为不同的类型。〔1〕按作用性质可分为静荷载和动荷载。由零逐渐缓慢增加加到结构上的荷载称为静荷载，静荷载作用下不产生明显的加速度。大小方向随时间而改变的荷载称为动荷载。地震力、冲击力、惯性力等都为动荷载。〔2〕按作用时间的长短可分为恒荷载和活荷载。永久作用在结构上大小、方向不变的荷载称为恒荷载。结构、固定设备的自重等都为恒荷载。暂时作用在结构上的荷载称为活荷载。风、雪荷载等都是活荷载。(3)按作用范围可分为集中荷载和分布荷载。假设荷载的作用范围与结构的尺寸相比很小时，可认为荷载集中作用于一点，称为集中荷载。分布作用在体积、面积和线段上的荷载称为分布荷载。结构的自重、风、雪等荷载都是分布荷载。当以刚体为研究对象时，作用在结构上的分布荷载可用其合力〔集中荷载〕代替；但以变形体为研究对象时，作用在结构上的分布荷载不能用其合力代替。`理论力学教案2课题第2讲——第二章刚体静力学根底学时4学时＋2学时习题课教学目的要求掌握力学的根本概念和公理。熟悉各种常见约束的性质，熟练地画出受力图。主要内容静力学根本概念。静力学根本公理。约束与约束反力。物体的受力分析与受力图。重点难点平衡、刚体和力的概念和静力学的根本公理。掌握物体的受力分析的方法正确地选取别离体，并画出受力图是求解静力学的关键，教学方法和手段以讲授为主，使用电子教案课后作业练习问题：P12：1，2，3，4，5，6习题：P12：1，2，3预习：第三章本次讲稿刚体静力学根底第一节静力学根本概念静力学是研究物体的平衡问题的科学。主要讨论作用在物体上的力系的简化和平衡两大问题。所谓平衡，在工程上是指物体相对于地球保持静止或匀速直线运动状态，它是物体机械运动的一种特殊形式。刚体的概念工程实际中的许多物体，在力的作用下，它们的变形一般很微小，对平衡问题影响也很小，为了简化分析，我们把物体视为刚体。所谓刚体，是指在任何外力的作用下，物体的大小和形状始终保持不变的物体。静力学的研究对象仅限于刚体，所以又称之为刚体静力学。二、力的概念力的概念是人们在长期的生产劳动和生活实践中逐步形成的，通过归纳、概括和科学的抽象而建立的。力是物体之间相互的机械作用，这种作用使物体的机械运动状态发生改变，或使物体产生变形。力使物体的运动状态发生改变的效应称为外效应，而使物体发生变形的效应称为内效应。刚体只考虑外效应；变形固体还要研究内效应。经验说明力对物体作用的效应完全决定于以下力的三要素：〔1〕力的大小是物体相互作用的强弱程度。在国际单位制中，力的单位用牛顿〔N〕或千牛顿〔kN〕，1kN=103N。〔2〕力的方向包含力的方位和指向两方面的涵义。如重力的方向是“竖直向下〞。“竖直〞是力作用线的方位，“向下〞是力的指向。〔3〕力的作用位置是指物体上承受力的部位。一般来说是一块面积或体积，称为分布力；而有些分布力分布的面积很小，可以近似看作一个点时，这样的力称为集中力。如果改变了力的三要素中的任一要素，也就改变了力对物体的作用效应。既然力是有大小和方向的量，所以力是矢量。可以用一带箭头的线段来表示，如图2-1所示，线段AB长度按一定的比例尺表示力F的大小，线段的方位和箭头的指向表示力的方向。线段的起点A或终点B表示力的作用点。线段AB的延长线〔图中虚线〕表示力的作用线。图2－1本教材中，用黑体字母表示矢量，用对应字母表示矢量的大小。一般来说，作用在刚体上的力不止一个，我们把作用于物体上的一群力称为力系。如果作用于物体上的某一力系可以用另一力系来代替，而不改变原有的状态，这两个力系互称等效力系。如果一个力与一个力系等效，那么称此力为该力系的合力，这个过程称力的合成；而力系中的各个力称此合力的分力，将合力代换成分力的过程为力的分解。在研究力学问题时，为方便地显示各种力系对物体作用的总体效应，用一个简单的等效力系〔或一个力〕代替一个复杂力系的过程称为力系的简化。力系的简化是刚体静学的根本问题之一。第二节静力学公理所谓公理就是无需证明就为大家在长期生活和生产实践中所公认的真理。静力学公理是静力学全部理论的根底。公理一二力平衡公理作用于同一刚体上的两个力成平衡的必要与充分条件是：力的大小相等，方向相反，作用在同一直线上。可以表示为：F=-F/或F+F/=0此公理给出了作用于刚体上的最简力系平衡时所必须满足的条件，是推证其它力系平衡条件的根底。在两个力作用下处于平衡的物体称为二力体，假设物体是构件或杆件，也称二力构件或二力杆件简称二力杆。公理二加减平衡力系公理在作用于刚体的任意力系中，加上或减去平衡力系，并不改变原力系对刚体作用效应。推论一力的可传性原理作用于刚体上的力可以沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的效应。图2－2证明：设力F作用于刚体上的点A，如图2-2所示。在力F作用线上任选一点B，在点B上加一对平衡力F1和F2，使F1=－F2=F那么F1、F2、F构成的力系与F等效。将平衡力系F、F2减去，那么F1与F等效。此时，相当于力F已由点A沿作用线移到了点B。由此可知，作用于刚体上的力是滑移矢量，因此作用于刚体上力的三要素为大小、方向和作用线。公理三力的平行四边形法那么作用于物体上同一点的两个力可以合成为作用于该点的一个合力，它的大小和方向由以这两个力的矢量为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。如图2－3a所示，以FR表示力F1和力F2的合力，那么可以表示为：FR=F1+F2。即作用于物体上同一点两个力的合力等于这两个力的矢量合。图2－3在求共点两个力的合力时，我们常采用力的三角形法那么：〔如图2－3b〕所示。从刚体外任选一点a作矢量ab代表力F1，然后从b的终点作bc代表力F2，最后连起点a与终点c得到矢量ac,那么ac就代表合力矢FR。分力矢与合力矢所构成的三角形abc称为力的三角形。这种合成方法称为力三角形法那么。推论二三力平衡汇交定理刚体受同一平面内互不平行的三个力作用而平衡时，那么此三力的作用线必汇交于一点。图2－4证明:设在刚体上三点A、B、C分别作用有力F1、F2、F3，其互不平行，且为平衡力系，如图2-4所示，根据力的可传性，将力F1和F2移至汇交点O，根据力的可传性公理，得合力FR1，那么力F3与FR1平衡，由公理一知，F3与FR1必共线，所以力F1的作用线必过点O。公理四作用与反作用公理两个物体间相互作用力，总是同时存在，它们的大小相等，指向相反，并沿同一直线分别作用在这两个物体上。物体间的作用力与反作用力总是同时出现，同时消失。可见，自然界中的力总是成对地存在，而且同时分别作用在相互作用的两个物体上。这个公理概括了任何两物体间的相互作用的关系，不管对刚体或变形体，不管物体是静止的还是运动的都适用。应该注意，作用力与反作用力虽然等值、反向、共线，但它们不能平衡，因为二者分别作用在两个物体上，不可与二力平衡公理混淆起来。公理五刚化原理变形体在力系作用下平衡时，假设将此变形体视为刚体〔刚化〕，那么其平衡状态不变。此原理建立了刚体平衡条件与谈形体平衡条件之间的关系，即关于刚体的平衡条件，对于变形体的平衡来说，也必须满足。但是，满足了刚体的平衡条件，变形体不一定平衡。例如一段软绳，在两个大小相等，方向相反的拉力作用下处于平衡，假设将软绳变成刚杆，平衡保持不变。把过来，一段刚杆在两个大小相等、方向相反的压力作用下处于平衡，而绳索在此压力下那么不能平衡。可见，刚体的平衡条件对于变形体的平衡来说只是必要条件而不是充分条件。第三节约束与约束反力工程上所遇到的物体通常分两种：可以在空间作任意运动的物体称为自由体，如飞机、火箭等；受到其它物体的限制，沿着某些方向不能运动的物体称为非自由体。如悬挂的重物，因为受到绳索的限制，使其在某些方向不能运动而成为非自由体，这种阻碍物体运动的限制称为约束。约束通常是通过物体间的直接接触形成的。既然约束阻碍物体沿某些方向运动，那么当物体沿着约束所阻碍的运动方向运动或有运动趋势时，约束对其必然有力的作用，以限制其运动，这种力称为约束反力。简称反力。约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动或运动趋势的方向相反，它的作用点就在约束与被约束的物体的接触点，大小可以通过计算求得。工程上通常把能使物体主动产生运动或运动趋势的力称为主动力。如重力、风力、水压力等。通常主动力是的，约束反力是未知的，它不仅与主动力的情况有关，同时也与约束类型有关。下面介绍工程实际中常见的几种约束类型及其约束反力的特性。柔性约束图2－5图2－6绳索、链条、皮带等属于柔索约束。理想化条件：柔索绝对柔软、无重量、无粗细、不可伸长或缩短。由于柔索只能承受拉力，所以柔索的约束反力作用于接触点，方向沿柔索的中心线而背离物体，为拉力。如图2－5和图2－6所示。二、光滑接触面约束图2－7图2－8当物体接触面上的摩擦力可以忽略时，即可看作光滑接触面，这时两个物体可以脱离开，也可以沿光滑面相对滑动，但沿接触面法线且指向接触面的位移受到限制。所以光滑接触面约束反力作用于接触点，沿接触面的公法线且指向物体，为压力。如图2－7和图2－8所示。三、光滑铰链约束图2－9工程上常用销钉来联接构件或零件，这类约束只限制相对移动不限制转动，且忽略销钉与构件间的磨擦。假设两个构件用销钉连接起来，这种约束称为铰链约束，简称铰连接或中间铰，图2－9a所示。图2－9b为计算简图。铰链约束只能限制物体在垂直于销钉轴线的平面内相对移动，但不能限制物体绕销钉轴线相对转动。如图2－9c所示，铰链约束的约束反力作用在销钉与物体的接触点D，沿接触面的公法线方向，使被约束物体受压力。但由于销钉与销钉孔壁接触点与被约束物体所受的主动力有关，一般不能预先确定，所以约束反力Fc的方向也不能确定。因此，其约束反力作用在垂直于销钉轴线平面内，通过销钉中心，方向不定。为计算方便，铰链约束的约束反力常用过铰链中心两个大小未知的正交分力Xc，Yc来表示如图2－9四、固定铰支座：图2－10将结构物或构件用销钉与地面或机座连接就构成了固定铰支座，如图2－10a所示。固定铰支座的约束与铰链约束完全相同。简化记号和约束反力如图2－10b和图2－10五、辊轴支座图2－11在固定铰支座和支承面间装有辊轴，就构成了辊轴支座，又称活动铰支座，如图2－11a所示。这种约束只能限制物体沿支承面法线方向运动，而不能限制物体沿支承面移动和相对于销钉轴线转动。所以其约束反力垂直于支承面，过销钉中心指向可假设。如图2－11b和图2－11六、链杆约束图2－12两端以铰链与其它物体连接中间不受力且不计自重的刚性直杆称链杆，如图2－12a所示。这种约束反力只能限制物体沿链杆轴线方向运动，因此链杆的约束反力沿着链杆,两端中心连线方向，指向或为拉力或为压力。如图2－12b和图2－12七、固定端约束图2－13将构件的一端插入一固定物体〔如墙〕中，就构成了固定端约束。在连接处具有较大的刚性，被约束的物体在该处被完全固定，即不允许相对移动也不可转动。固定端的约束反力，一般用两个正交分力和一个约束反力偶来代替，如图2－13所示。第四节物体的受力分析与受力图静力学问题大多是受一定约束的非自由刚体的平衡问题，解决此类问题的关键是找出主动力与约束反力之间的关系。因此，必须对物体的受力情况作全面的分析，即物体的受力分析，它是力学计算的前提和关键。物体的受力分析包含两个步骤：一是把该物体从与它相联系的周围物体中别离出来，解除全部约束，单独画出该物体的图形，称为取别离体。二是在别离体上画出全部主动力和约束反力，这称为画受力图。下面举例说明物体受力分析的方法。例2－1起吊架由杆件AB和CD组成，起吊重物的重量为Q。不计杆件自重，作杆件AB的受力图。图2－14解：取杆件AB为别离体，画出其别离体图。杆件AB上没有荷载，只有约束反力。A端为固定铰支座。约束反力用两个垂直分力XA和YA表示，二者的指向是假定的。D点用铰链与CD连接，因为CD为二力杆，所以铰D反力的作用线沿C、D两点连线，以FD表示。图中FD的指向也是假定的。B点与绳索连接，绳索作用给B点的约束反力FT沿绳索、背离杆件AB。图2－14b为杆件AB的受力图。应该注意，〔图b〕中的力FT不是起吊重物的重力FG。力FT是绳索对杆件AB的作用力；力FG是地球对重物的作用力。这两个力的施力物体和受力物体是完全不同的。在绳索和重物的受〔图c〕上，作用有力FT的反作用力FTˊ和重力FG。由二力平衡条件，力FTˊ与力FG是反向、等值的；由作用反作用定律，力FT与FTˊ是反向、等值的。所以力FT与力FG大小相等，方向相同。例2－2水平梁ＡＢ用斜杆ＣＤ支撑，A、C、D三处均为光滑铰链连接，如图2－15所示。梁上放置一重为FG1的电动机。梁重为FG2，不计杆CD自重，试分别画出杆CD和梁AB的受力图。图2－15解：〔1〕取CD为研究对象。由于斜杆CD自重不计，只在杆的两端分别受有铰链的约束反力FC和FD的作用，由些判断CD杆为二力杆。根据公理一，FC和FD两力大小相等、沿铰链中心连线CD方向且指向相反。斜杆CD的受力图如图2－15b所示。〔2〕取梁AB〔包括电动机〕为研究对象。它受FG1、FG2两个主动力的作用；梁在铰链D处受二力杆CD给它的约束反力FDˊ的作用，根据公理四，FDˊ＝－FD；梁在A处受固定铰支座的约束反力，由于方向未知，可用两个大小未知的正交分力XA和YA表示。梁AB的受力图如图2－15c例2－3简支梁两端分别为固定铰支座和可动铰支座，在C处作用一集中荷载FP〔图2－16a〕，梁重不计，试画梁AB图2－16解：取梁AB为研究对象。作用于梁上的力有集中荷载FP，可动铰支座B的反力FB，铅垂向上，固定铰支座A的反力用过点A的两个正交分力XA的YA表示。受力图如图2－16b所示。由于些梁受三个力作用而平衡，故可由推论二确定FA的方向。用点D表示力FP和FB的作用线交点。FA的作用线必过交点D，如图2－16c例2－4三铰拱桥由左右两拱铰接而成，如图2－17a所示。设各拱自重不计，在拱AC上作用荷载F。试分别画出拱AC和CB图2－17解：〔1〕取拱CB为研究对象。由于拱自重不计，且只在B、C处受到铰约束，因此CB为二力构件。在铰链中心B、C分别受到FB和FC的作用，且FB＝－FC。拱CB的受力图如图2－17b所示。〔2〕取拱AC连同销钉C为研究对象。由于自重不计，主动力只有荷载F；点C受拱CB施加的约束力FCˊ，且FCˊ＝－FC；点A处的约束反力可分解为XA和YA。拱AC的受力图如图2－17c又拱AC在F、FCˊ和FA三力作用下平衡，根据三力平衡汇交定理，可确定出铰链A处约束反力FA的方向。点D为力F与FCˊ的交点，当拱AC平衡时，FA的作用线必通过点D，如图2－17d所示，FA的指向，可先作假设，以后由平衡条件确定。例2－5图2－18a所示系统中，物体F重FG，其它和构件不计自重。作〔1〕整体；〔2〕AB杆；〔3〕BE杆；〔4〕杆CD、轮C、绳及重物F图2－18解：整体受力图如图2－18a所示。固定支座A自有两个垂直反力和一个约束反力偶。铰C、D、E和G杆件AB的受力图如图2－18b所示。对杆件AB来说，铰B、D的反力是外力，应画出。杆件BE的受力图如图2－18c所示。BE上B点的反力XBˊ和YBˊ是AB上XB和YB杆件CD、轮C、绳和重物F所组成的系统的受力图如下图。其上的约束反力分别是图2－18b和图2－18c上相应力的反作用力，它们的指向分别与相应力的指向相反。如XEˊ是图2－18c上XE的反作用力，力XEˊ的指向应与力XE的指向相反，不能再随意假定。铰在画受力图时应注意如下几个问题：〔1〕明确研究对象并取出脱离体。〔2〕要先画出全部的主动力。〔3〕明确约束反力的个数。但凡研究对象与周围物体相接触的地方，都一定有约束反力，不可随意增加或减少。〔4〕要根据约束的类型画约束反力。即按约束的性质确定约束反力的作用位置和方向，不能主观臆断。〔5〕二力杆要优先分析。〔6〕对物体系统进行分析时注意同一力，在不同受力图上的画法要完全一致；在分析两个相互作用的力时，应遵循作用和反作用关系，作用力方向一经确定，那么反作用力必与之相反，不可再假设指向。〔7〕内力不必画出。思考题2－1说明以下式子的意义和区别。〔1〕F1＝F2和F1＝F2；〔2〕FR＝F1＋F2和FR＝F1＋F22－2力的可传性原理的适用条件是什么？如图2－19所示，能否根据力的可传性原理，将作用于杆AC上的力F沿其作用线移至杆BC上而成力Fˊ？图2－19图2－202－3作用于刚体上大小相等、方向相同的两个力对刚体的作用是否等效？2－4物体受汇交于一点的三个力作用而处于平衡，此三力是否一定共面？为什么？2－5图2－20中力F作用在销钉C上，试问销钉C对AC的力与销钉C对BC的力是否等值、反向、共线？为什么？2－6图2－21中各物体受力图是否正确？假设有错误试改正。理论力学教案3课题第3讲——第三章平面汇交力系课时4学时教学目的要求掌握平面汇交力系的合成与平衡。掌握平面汇交力系合成的几何法和解析法。3、理解力在直角坐标系的投影，能熟练计算力在直角坐标轴上的投影。主要内容平面汇交力系的合成与平衡的几何法。平面汇交力系合成与平衡的解析法重点难点平面汇交力系合成与平衡的解析法教学方法和手段以讲授为主，使用电子教案课后作业练习问题：P21：1，2，3，4，5习题：P22：1，2，3，4，5，6，8预习：第四章\本次讲稿第三章平面汇交力系根据力系中各力作用线的位置，力系可分为平面力系和空间力系。各力的作用线都在同一平面内的力系称为平面力系。在平面力系中又可以分为平面汇交力系、平面平行力系、平面力偶系和平面一般力系。在平面力系中，各力作用线汇交于一点的力系称平面汇交力系。本章讨论平面汇交力系的合成与平衡问题。§3-1平面汇交力系合成与平衡的几何法一、平面汇交力系合成的几何法设在某刚体上作用有由力F1、F2、F3、F4组成的平面汇交力系，各力的作用线交于点A，如图3－1a所示。由力的可传性，将力的作用线移至汇交点A;然后由力的合成三角形法那么将各力依次合成，即从任意点a作矢量ab代表力矢F1，在其末端b作矢量bc代表力矢F2，那么虚线ac表示力矢F1和F2的合力矢FR1；再从点C作矢量cd代表力矢F3，那么ad表示FR和F3的合力FR2；最后从点d作de代表力矢F4，那么ae代表力矢FR2与F4的合力矢，亦即力F1、F2、F3、F4的合力矢FR，其大小和方向如图3－1b，其作用线通过汇交点A。图3－1作图3－1b时，虚线ac和ad不必画出，只需把各力矢首尾相连，得折线abcd，那么第一个力矢F1的起点a向最后一个力矢F4的终点e作ae，即得合力矢FR。各分力矢与合力矢构成的多边形称为力的多边形，表示合力矢的边ae称为力的多边形的逆封边。这种求合力的方法称为力的多边形法那么。假设改变各力矢的作图顺序，所得的力的多边形的形状那么不同，但是这并不影响最后所得的逆封边的大小和方向。但应注意，各分力矢必须首尾相连，而环绕力多边形周边的同一方向，而合力矢那么把向封闭力多边形。上述方法可以推广到由n个力F1、F2、…、Fn组成的平面汇交力系：平面汇交力系合成的结果是一个合力，合力的作用线过力系的汇交点，合力等于原力系中所有各力的矢量和。可用矢量式表示为FR=F1+F2+…+Fn=ΣF(3-1)例3－1同一平面的三根钢索边连结在一固定环上，如图3－2所示，三钢索的拉力分别为：F1＝500N，F2＝1000N，F3＝2000N。试用几何作图法求三根钢索在环上作用的合力。图3－2解先定力的比例尺如图。作力多边形先将各分力乘以比例尺得到各力的长度，然后作出力多边形图〔3－2b〕，量得代表合力矢的长度为，那么FR的实际值为FR＝2700NFR的方向可由力的多边形图直接量出，FR与F1的夹角为71º31＇。二、平面汇交力系平衡的几何条件图3－3在图3－3a中，平面汇交力系合成为一合力，即与原力系等效。假设在该力系中再加一个与等值、反向、共线的力，根据二力平衡公理知物体处于平衡状态，即为平衡力系。对该力系作力的多边形时，得出一个闭合的力的多边形，即最后一个力矢的末端与第一个力矢的始端相重合，亦即该力系的合力为零。因此，平面汇交力系的平衡的必要与充分的几何条件是：力的多边形自行封闭，或各力矢的矢量和等于零。用矢量表示为FR=ΣF=0〔3－2〕例3－2图3－4a所求一支架，A、B为铰链支座，C为圆柱铰链。斜撑杆BC与水平杆AC的夹角为30º。在支架的C处用绳子吊着重G＝20kN的重物。不计杆件的自重，试求各杆所受的力图3－4解杆AC和BC均为二力杆，其受力如图3－4b所示。取销钉C为研究对象，作用在它上面的力有：绳子的拉力FT(FT=G)，AC杆和BC杆对销钉C的作用力FCA和FCB。这三个力为一平面汇交力系〔销钉C的受力图如图3－4c根据平面汇交力系平衡的几何条件，FT、FCA和FCB应组成闭合的力三角形。选取比例尺如图，先画力FT＝ab，过a、b两点分别作直线平行于FCA和FCB得交点c，于是得力三角形abc，顺着abc的方向标出箭头，使其首尾相连，那么矢量ca和bc就分别表示力FCA和FCB的大小和方向。用同样的比例尺量得FCA＝34.6kNFCB＝40kN§3-2平面汇交力系合成与平衡的解析法求解平面汇交力系问题的几何法，具有直观简捷的优点，但是作图时的误差难以防止。因此，工程中多用解析法来求解力系的合成和平衡问题。解析法是以力在坐标轴上的投影为根底的。在坐标轴上的投影如图3－5所示，设力F作用于刚体上的A点，在力作用的平面内建立坐标系oxy，由力F的起点和终点分别向x轴作垂线，得垂足a1和b1，那么线段a1b1冠以相应的正负号称为力F在x轴上的投影，用X表示。即X=±a1b1；同理，力F在y轴上的投影用Y表示，即Y=±a2b2。力在坐标轴上的投影是代数量，正负号规定：力的投影由始到末端与坐标轴正向一致其投影取正号，反之取负号。投影与力的大小及方向有关，即〔3－3〕式中α、β分别为F与X、Y轴正向所夹的锐角。图3－5反之，假设力F在坐标轴上的投影X、Y，那么该力的大小及方向余弦为〔3－4〕应当注意，力的投影和力的分量是两个不同的概念。投影是代数量，而分力是矢量；投影无所谓作用点，而分力作用点必须作用在原力的作用点上。另外仅在直角坐标系中在坐标上的投影的绝对值和力沿该轴的分量的大小相等。二、合力投影定理设一平面汇交力系由F1、F2、F3和F4作用于刚体上，其力的多边形abcde如图3－6所示，封闭边ae表示该力系的合力矢FR，在力的多边形所在平面内取一坐标系oxy，将所有的力矢都投影到x轴和y轴上。得X=a1e1,X1=a1b1,X2=b1c1，X3=c1d1,X4=d1e由图3－6可知a1e1=a1b1+b1c1+c1d1+d1e即X=X1+X2+X3+X4同理Y=Y1+Y2+Y3+Y4将上述关系式推广到任意平面汇交力系的情形，得〔3－5〕图3－6即合力在任一轴上的投影，等于各分力在同一轴上投影的代数和，这就是合力投影定理。三、平面汇交力系合成的解析法用解析法求平面汇交力系的合成时，首先在其所在的平面内选定坐标系oxy。求出力系中各力在x轴和y轴上的投影，由合力投影定理得〔3－6〕其中α是合力FR分别与X、Y轴正向所夹的锐角。例3－3如图3－7所求，固定圆环作用有四根绳索，其拉力分别为F1＝0.2kN，F2＝0.3kN,F3=0.5kN,F4=0.4kN,它们与轴的夹角分别为α1＝30º，α2＝45º，α3＝0，α4＝60º。试求它们的合力大小和方向。图3－7解建立如图3－7所示直角坐标系。根据合力投影定理，有X=ΣX＝X1+X2+X3+X4＝F1cosα1＋F2cosα2＋F3cosα3＋F4cosα4=1.085kNY=ΣY＝Y1+Y2+Y3+Y4＝F1sinα1＋F2sinα2＋F3sinα3－F4sinα4=－0.234kN由ΣX、ΣY的代数值可知，X沿X轴的正向，Y沿Y轴的负向。由式〔3－6〕得合力的大小方向为解得α＝12º12＇四、平面汇交力系平衡的解析条件我们已经知道平面汇交力系平衡的必要与充分条件上其合力等于零，即FR＝0。由式〔3－6〕可知，要使FR＝0，须有ΣX=0；ΣY=0〔3－8〕上式说明，平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：力系中各力在力系所在平面内两个相交轴上投影的代数和同时为零。式〔3－8〕称为平面汇交力系的平衡方程。式〔2－8〕是由两个独立的平衡方程组成的，故用平面汇交力系的平衡方程只能求解两个未知量。例3－4重量为G和重物，放置在倾角为α的光滑斜面上〔如图3－8〕，试求保持重物成平衡时需沿斜面方向所加的力F和重物对斜面的压力FN。图3－8解以重物为研究对象。重物受到重力G、拉力F和斜面对重物的作用力FN，其受力图如图3－8b所示。取坐标系oxy，列平衡方程ΣX=0Gsinα－F=0(1)ΣY=0－Gcosα+FN=0(2)解得F＝GsinαFN＝Gcosα那么重物对斜面的压力FN＇＝Gcosα，指向和相反。例3－5重G＝20kN的物体被绞车匀速吊起，绞车的绳子绕过光滑的定滑轮A〔图3－9a〕，滑轮由不计重量的杆AB、AC支撑，A、B、C三点均为光滑铰链。试求AB、AC所受的力。图3－9解杆AB和AC都是二力杆，其受力如图3－9b所示。假设两杆都受拉。取滑轮连同销钉A为研究对象。重物G通过绳索直接加在滑轮的一边。在其匀速上升时，拉力FT1＝G，而绳索又在滑轮的另一边施加同样大小的拉力，即FT1＝FT2。受力图如图3－9c所示，取坐标系Axy。列平衡方程由ΣX=0解得FAC＝－63.2kN由ΣY=0解得FAB＝41.6kN力FAC是负值，表示该力的假设方向与实际方向相反，因此杆AC是受压杆。例3－6连杆机构由三个无重杆铰接组成〔如图3－10a〕，在铰B处施加一的竖向力FB，要使机构处于平衡状态，试问在铰C处施加的力FC应取何值？图3－10解这是一个物体系统的平衡问题。从整个机构来看，它受四个力FB、FC、FA、FD不是平面汇交力系〔图a〕，所以不能取整体作为研究对象求解。要求解的未知力F作用于铰C上，铰C受平面汇交力系的作用，所以应该通过研究铰C的平衡来求解。铰C除受未知力FC外，还受到二力杆BC和DC的约束反力FAB和FBC和作用〔图c〕。这三个力都是未知的，只要能求出FAB和FBC之中的任意一个，就能根据铰C的平衡求出力FC。铰B除受力FB的作用外，还受到二力杆AB和BC杆的约束反力FBA和FBC的作用。通过研究铰B的平衡可以求了BC杆的约束反力FBC。综合以上分析结果，得到此题的解题思路：先以铰B为脱离体求BC杆的反力FBC；再以铰C为脱离体，求未知力FC。(1)取铰B为脱离体，其受力图如图〔b〕所示。因为只需求反力FBC，所以选取x轴与不需求出的力FBA垂直。由平衡方程ΣX=0FBcos45º+FBCcos45º=0解得FBC=－FB〔2〕取C为脱离体，其受力图如图〔c〕所示。图上力FCB的大小是的，即FCB＝FBC＝－FB。为求力FC的大小，选取x轴与反力FCD垂直，由平衡方程ΣX=0－FCB－FBCcos45º=0解得通过以上分析和求解过程可以看出，在求解平衡问题时，要恰当地选取脱离体，恰当地选取坐标轴，以最简捷、合理的途径完成求解工作。尽量防止求解联立方程，以提高计算的工作效率。这些都是求解平衡问题所必须注意的。思考题3－1如图3－11所示的平面汇交力系的各力多边形中，各代表什么意义？图3－113－2如图3－12所示，力F大小和其与x轴正向的夹角θ，试问能否求出此力在x轴上的投影？能否求出此力沿x轴方向的分力？图3－123－3同一个力在两个互相平行的轴上的投影有何关系？如果两个力在同一轴上的投影相等，问这两个力的大小是否一定相等？3－4平面汇交力系在任意两根轴上的投影的代数和分别等于零，那么力系必平衡，对吗？为什么？3－5假设选择同一平面内的三个轴x、y和z，其中x轴垂直于y轴，而z轴是任意的〔图3－13〕，假设作用在物体上的平面汇交力系满足以下方程式：ΣX=0ΣY=0能否说明该力系一定满足以下方程式：ΣZ=0试说明理由。图3-13理论力学教案4课题第4讲——第四章力矩与力偶学时6教学目的要求熟悉力和力偶的根本概念及其性质，能熟练的计算平面问题中力对点之矩。掌握合力距定理。掌握平面力偶系的合成和平衡条件。主要内容1、力对点之距。2、力偶。3、平面力偶系的合成和平衡条件。4、力的平移定理。重点难点1、合力矩定理。2、平面力偶系的合成和平衡条件。教学方法和手段以讲授为主，使用电子教案课后作业练习问题：P31：1，2，3，4，5，6习题：P54：1，2，4，6，7预习：第五章本次讲稿第四章力矩与力偶本章研究力矩、力偶和平面力偶系的理论。这都是有关力的转动效应的根本知识，在理论研究和工程实际应用中都有重要的意义。第一节力对点之矩力矩的概念力不仅可以改变物体的移动状态，而且还能改变物体的转动状态。力使物体绕某点转动的力学效应，称为力对该点之矩。以扳手旋转螺母为例，如图4－1所示，设螺母能绕点O转动。由经验可知，螺母能否旋动，不仅取决于作用在扳手上的力F的大小，而且还与点O到F的作用线的垂直距离d有关。因此，用F与d的乘积不作为力F使螺母绕点O转动效应的量度。其中距离d称为F对O点的力臂，点O称为矩心。由于转动有逆时针和顺时针两个转向，那么力F对O点之矩定义为：力的大小F与力臂d的乘积冠以适当的正负号，以符号mo(F)表示，记为mo(F)＝±Fh〔4－1〕通常规定：力使物体绕矩心逆时针方向转动时，力矩为正，反之为负。图4－1由图4－1可见，力F对O点之矩的大小，也可以用三角形OAB的面积的两倍表示，即mo(F)＝±2ΔABC〔4－2〕在国际单位制中，力矩的单位是牛顿•米〔N••m〕或千牛顿•米〔kN•m〕。由上述分析可得力矩的性质：〔1〕力对点之矩，不仅取决于力的大小，还与矩心的位置有关。力矩随矩心的位置变化而变化。〔2〕力对任一点之矩，不因该力的作用点沿其作用线移动而改变，再次说明力是滑移矢量。〔3〕力的大小等于零或其作用线通过矩心时，力矩等于零。二、合力矩定理定理：平面汇交力系的合力对其平面内任一点的矩等于所有各分力对同一点之矩的代数和。图4－2证明：设刚体上的A点作用着一平面汇交力系。力系的合力。在力系所在平面内任选一点O，过O作oy轴，且垂直于OA。如图4－2所示。那么图中Ob1、Ob2、…、Obn分别等于力F1、F2、…、Fn和FR在Oy轴上的投影Y1、Y2、…、Yn和YR。现分别计算F1、F2、…、Fn和FR各分力对点O的力矩。由图4－2可以看出〔1〕根据合力投影定理YR＝Y1＋Y2＋…＋Yn两端乘以OA得YROA＝Y1OA＋Y2OA＋…＋YnOA将式〔1〕代入得mo(FR)＝mo(F1)＋mo(F2)＋…＋mo(Fn)即mo(FR)＝Σmo(F)〔4－3〕上式称为合力矩定理。合力矩定理建立了合力对点之矩与分力对同一点之矩的关系。这个定理也适用于有合力的其它力系。例4－1试计算图4－3中力对A点之矩。图4－3解此题有两种解法。由力矩的定义计算力F对A点之矩。先求力臂d。由图中几何关系有：d=ADsinα=(AB-DB)sinα=(AB-BCctg)sinα=(a-bctgα)sinα=asinα-bcosα所以mA(F)=F•d=F(asinα-bcosα)根据合力矩定理计算力F对A点之矩。将力F在C点分解为两个正交的分力和，由合力矩定理可得mA(F)=mA(Fx)+mA(Fy)=－Fx•b+Fy•a=－F(bcosα＋asinα)=F(asinα-bcosα)本例两种解法的计算结果是相同的，当力臂不易确定时，用后一种方法较为简便。第二节力偶一、力偶力偶矩在日常生活和工程实际中经常见到物体受动两个大小相等、方向相反，但不在同一直线上的两个平行力作用的情况。例如，司机转动驾驶汽车时两手作用在方向盘上的力〔图4－4a〕；工人用丝锥攻螺纹时两手加在扳手上的力〔图4－4b〕；以及用两个手指拧动水龙头〔图4－4c〕所加的力等等。在力学中把这样一对等值、反向而不共线的平行力称为力偶，用符号(F,F′)表示。两个力作用线之间的垂直距离称为力偶臂，两个力作用线所决定的平面称为力偶的作用面。图4－4实验说明，力偶对物体只能产生转动效应，且当力愈大或力偶臂愈大时，力偶使刚体转动效应就愈显著。因此，力偶对物体的转动效应取决于：力偶中力的大小、力偶的转向以及力偶臂的大小。在平面问题中，将力偶中的一个力的大小和力偶臂的乘积冠以正负号，(作为力偶对物体转动效应的量度，称为力偶矩，用m或m(F,F′)表示，如图4－5所示，即m(F)＝F•d=±2ΔABC(4-4)图4－5通常规定：力偶使物体逆时针方向转动时，力偶矩为正，反之为负。在国际单位制中，力矩的单位是牛顿•米〔N••m〕或千牛顿•米〔kN•m〕。二、力偶的性质力和力偶是静力学中两个根本要素。力偶与力具有不同的性质：〔1〕力偶不能简化为一个力，即力偶不能用一个力等效替代。因此力偶不能与一个力平衡，力偶只能与力偶平衡。设刚体上的A和B分别作用着大小不等，指向相反的平行力F1和F2，假设F1＞F2。由同向平行力合成的内分反比关系，来求反向平行力的合力。图4－6b所示，将力F1分解成两个同向平行力，使其中一个分力F2′作用于点B，且F2′＝－F2，设另一个分力为FR，其作用线与AB的延长线交于C点。现将平衡力F2和F2′减去，力FR就与原来两反向平行力F1和F2等效。即力FR为F1和F2的合力。〔图4－6b〕图4－6因为F2＝F2′＋FR＝F2＋FR所以FR＝F1－F2由内分反比关系知假设F1＝F2，那么力F1和F2组成力偶，此时，FR＝0，于是CA＝∞CA＝∞，说明合力的作用点C不存在，所以力偶不能合成为一合力。即力偶不能用一个力代替，也不能与一个力平衡，力偶只能用力偶来平衡。(2)力偶对其作在平面内任一点的矩恒等于力偶矩，与矩心位置无关。图4－7如图4－7所示，力偶(F,F′)的力偶矩m(F)＝F•d在其作用面内任取一点O为矩心，因为力使物体转动效应用力对点之矩量度，因此力偶的转动效应可用力偶中的两个力对其作用面内任何一点的矩的代数和来量度。设O到力F′的垂直距离为x，那么力偶(F,F′)对于点O的矩为mo(F,F′)=mo(F)+mo(F′)=F〔x+d〕-F′x=F•d=m所得结果说明，不管点O选在何处，其结果都不会变，即力偶对其作用面内任一点的矩总等于力偶矩。所以力偶对物体的转动效应总取决于偶矩〔包括大小和转向〕，而与矩心位置无关。由上述分析得到如下结论：在同一平面内的两个力偶，只要两力偶的力偶的代数值相等，那么这两个力偶相等。这就是平面力偶的等效条件。根据力偶的等效性，可得出下面两个推论：推论1力偶可在其作用面内任意移动和转动，而不会改变它对物体的效应。推论2只要保持力偶矩不变，可同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长度，而不会改变它对物体的作用效应。由力偶的等效性可知，力偶对物体的作用，完全取决于力偶矩的大小和转向。因此，力偶可以用一带箭头的弧线来表示如图所求，其中箭头表示力偶的转向，m表示力偶矩的大小。图4－8平面力偶系的合成与平衡一、平面力偶系的合成作用在物体同一平面内的各力偶组成平面力偶系。设在刚体的同一平面内作用三个力偶(F1,F1′)(F2,F2′)和(F3,F3′)，如图4－9所示。各力偶矩分别为：m1＝F1•d1，m2＝F2•d2，m3＝－F3•d3，图4－9在力偶作用面内任取一线段AB＝d，按力偶等效条件，将这三个力偶都等效地改为以为d力偶臂的力偶(P1,P1′)(P2,P2′)和(P3,P3′)。如图4－9所示。由等效条件可知P1•d=F1•d1，P2•d＝F2•d2，－P3•d＝－F3•d3那么等效变换后的三个力偶的力的大小可求出。然后移转各力偶，使它们的力偶臂都与AB重合，那么原平面力偶系变换为作用于点A、B的两个共线力系〔图4－9b〕。将这两个共线力系分别合成，得FR＝P1＋P2－p3FR′＝P1′＋P2′－P3′可见，力FR与FR′等值、反向作用线平行但不共线，构成一新的力偶〔FR，FR′〕，如图4－9c所示。为偶〔FR，FR′〕称为原来的三个力偶的合力偶。用M表示此合力偶矩，那么M＝FRd＝〔P1＋P2－P3〕d=P1•d+P2•d－P3•d=F1•d1+F2•d2－F3•d3所以M＝m1＋m2＋m3假设作用在同一平面内有个力偶，那么上式可以推广为M＝m1＋m2＋…＋mn＝Σm由此可得到如下结论：平面力偶系可以合成为一合力偶，此合力偶的力偶矩等于力偶系中各力偶的力偶矩的代数和。二、平面力偶系的平衡条件平面力偶系中可以用它的合力偶等效代替，因此，假设合力偶矩等于零，那么原力系必定平衡；反之假设原力偶系平衡，那么合力偶矩必等于零。由此可得到平面力偶系平衡的必要与充分条件：平面力偶系中所有各力偶的力偶矩的代数和等于零。即Σm＝0〔4－6〕平面力偶系有一个平衡方程，可以求解一个未知量。例4－2如图4－10所示，电动机轴通过联轴器与工作轴相连，联轴器上4个螺栓A、B、C、D的孔心均匀地分布在同一圆周上，此圆的直径d＝150mm，电动机轴传给联轴器的力偶矩m＝2.5kN•m，试求每个螺栓所受的力为多少？图4－10解取联轴器为研究对象，作用于联轴器上的力有电动机传给联轴器的力偶，每个螺栓的反力，受力图如下图。设4个螺栓的受力均匀，即F1＝F2＝F3＝F4＝F，那么组成两个力偶并与电动机传给联轴器的力偶平衡。由Σm＝0，m－F×AC－F×d＝0解得例4－3水平杆重量不计，受固定铰支座A及CD的约束，如图4－11所示，在杆端B受一力偶作用，力偶矩m＝100N•m，求A、C处的约束反力。图4－11解取AB杆为研究对象。作用于AB杆的是一个主动力偶，A、C两点的约束反力也必然组成一个力偶才能与主动力偶平衡。由于CD杆是二力杆，FC必沿C、D两点的连线，而FA应与FC平行，且有FA＝FC〔图4－11B〕由平面力偶系平衡条件可得Σm＝0，FA×h－m＝0其中h＝Acsin30=1×0.5=0.5m那么第四节力的平移定理由力的可传性可知，力可以沿其作用线滑移到刚体上任意一点，而不改变力对刚体的作用效应。但当力平行于原来的作用线移动到刚体上任意一点时，力对刚体的作用效应便会改变，为了进行力系的简化，将力等效地平行移动，给出如下定理：力的平移定理：作用于刚体上的力可以平行移动到刚体上的任意一指定点，但必须同时在该力与指定点所决定的平面内附加一力偶，其力偶矩等于原力对指定点之矩。证明：设力F作用于刚体上A点，如图4－12所示。为将力F等效地平行移动到刚体上任意一点,根据加减平衡力系公理，在B点加上两个等值、反向的力F′和F"，并使F′＝F"＝F，如图(4－12b)所示。显然，力F、F′和F"组成的力系与原力F等效。由于在力系F、F′和F"中，力F与力F"等值、反向且作用线平行，它们组成力偶〔F、F"〕。于是作用在B点的力F′和力偶〔F、F"〕与原力F等效。亦即把作用于A点的力F平行移动到任意一点B，但同时附加了一个力偶，如图(4－12c)所示。由图可见，附加力偶的力偶矩为m＝F•d＝mB〔F〕图4－12力的平移定理说明，可以将一个力分解为一个力和一个力偶；反过来，也可以将同一平面内一一个力和一个力偶合成为一个力。应该注意，力的平移定理只适用于刚体，而不适用于变形体，并且只能在同一刚体上平行移动。思考题4－1将图4－13所示A点的力F沿作用线移至B点，是否改变该力对O点之矩？图4－13图4－144－2一矩形钢板放在水平地面上，其边长a＝3m，b＝2m〔如图4－14所示〕。按图示方向加力，转动钢板需要P＝P′＝250N。试问如何加力才能使转动钢板所用的力最小，并求这个最小力的大小。4－3一力偶(F1,F1′)作用在Oxy平面内，另一力偶(F2,F2′)作用在Oyz平面内，力偶矩之绝对值相等〔图4－15〕，试问两力偶是否等效？为什么？图4－154－4图3－16中四个力作用在某物体同一平面上A、B、C、D四点上〔ABCD为一矩形〕，假设四个力的力矢恰好首尾相接，这时物体平衡吗？为什么？图4－164－5水渠的闸门有三种设计方案，如图4－17所示。试问哪种方案开关闸门时最省力。图4－174－6力偶不能与一力平衡，那么如何解释图4－18所示的平衡现象？图4－18图2－21理论力学教案5课题第5讲——第五章平面任意力系学时12学时＋6学时习题课教学目的要求掌握平面任意力系的简化方法和简化结果，能计算平面力系的主失和主矩。能熟练应用平面任意力系的平衡方程，求解单个物体的平衡问题。了解静定和静不定问题的概念以及物体系统的平衡问题。理解滑动摩擦的概念和摩擦力的特征。掌握摩擦角和自锁概念。能求解当考虑滑动摩擦时单个物体和简单物体系统的平衡问题。.主要内容平面任意力系的简化简化结果分析及合力距定理。平面任意力系的平衡。静定和静不定问题的概念以及物体系统的平衡。考虑摩擦时物体系统的平衡。重点难点力系简化以及力系简化结果对于平面情况要详细讨论。平面力系平衡方程的各种形式要给以必要的说明。物体系统的平衡。教学方法和手段以讲授为主，使用电子教案课后作业练习问题：P47：1，2，3，4，5，6，7习题：P54：1，4，5，6，7，8，12，13，14预习：第六章本次讲稿平面任意力系各力作用线在同一平面内且任意分布的力系称为平面任意力系。在工程实际中经常遇到平面任意力系的问题。例如图5－1所示的简支梁受到外荷载及支座反力的作用，这个力系是平面任意力系。有些结构所受的力系本不是平面任意力系，但可以简化为平面任意力系来处理。如图5－2所示的屋架，可以忽略它与其它屋架之间的联系，单独别离出来，视为平面结构来考虑。屋架上的荷载及支座反力作用在屋架自身平面内，组成一平面任意力系。对于水坝〔图5－3〕这样纵向尺寸较大的结构，在分析时常截取单位长度〔如1〕的坝段来考虑，将坝段所受的力简化为作用于中央平面内的平面任意力系。事实上工程中的多数问题都简化为平面任意力系问题来解决。所以，本章的内容在工程实践中有着重要的意义。图5－1图5－2图5－3第一节平面任意力系向作用面内任意一点简化设刚体受到平面任意力系F1、F2、…、Fn的作用，如图5－4a。在力系所在的平面内任取一点O，称O点为简化中心。应用力的平移定理，将力系中的和力依次分别平移至O点，得到汇交于O点的平面汇交力系F1′、F2′、…、Fn′，此外还应附加相应的力偶，构成附加力偶系mO1、mO2、…、mOn〔图5－4b〕。图5－4平面汇交力系中各力的大小和方向分别与原力系中对应的各力相同，即F1′＝F1，F2′＝F2，…，Fn′＝Fn所得平面汇交力系可以合成为一个力RO，也作用于点O，其力矢R′等于各力矢F1′、F2′、…、Fn′的矢量和，即RO＝F1′+F2′+…+Fn′＝F1+F2+…+Fn＝ΣF＝R′〔5－1〕R′称为该力系的主矢，它等于原力系各力的矢量和，与简化中心的位置无关。主矢R′的大小与方向可用解析法求得。按图5－4b所选定的坐标系Oxy,有Rx=X1+X2+…Xn＝ΣXRy=Y1+Y2+…Yn＝ΣY主矢R′的大小及方向分别由下式确定：(5－2)其中α为主矢R′与x轴正向间所夹的锐角。各附加力偶的力偶矩分别等于原力系中各力对简化中心O之矩，即mO1＝mo(F1)，mO2＝mo(F2)，…，mOn＝mo(Fn)所得附加力偶系可以合成为同一平面内的力偶，其力偶矩可用符号MO表示，它等于各附加力偶矩mO1、mO2、…、mOn的代数和，即MO＝mO1+mO2+…+mOn＝mo(F1)+mo(F2)+…mo(Fn)＝ΣmO〔F〕(5－3)原力系中各力对简化中心之矩的代数和称为原力系对简化中心的主矩。由式〔5－3〕可见在选取不同的简化中心时，每个附加力偶的力偶臂一般都要发生变化，所以主矩一般都与简化中心的位置有关。由上述分析我们得到如下结论：平面任意力系向作用面内任一点简化，可得一力和一个力偶〔图5－4c〕。这个力的作用线过简化中心，其力矢等于原力系的主矢；这个力偶的矩等于原力系对简化中心的主矩。简化结果分析及合力矩定理平面任意力系向O点简化，一般得一个力和一个力偶。可能出现的情况有四种：R′≠0，MO＝0，原力系简化为一个力，力的作用线过简化中心，此合力的矢量为原力系的主矢即RO＝R′＝ΣF。R′＝0，MO≠0，原力系简化为一力偶。此时该力偶就是原力系的合力偶，其力偶矩等于原力系的主矩。此时原力系的主矩与简化中心的位置无关。R′＝0，MO＝0，原力系平衡，下节将详细讨论。，R′≠0，MO≠0，这种情况下，由力的平移定理的逆过程，可将力R′和力偶矩为MO的力偶进一步合成为一合力R，如图5－5所示。将力偶矩为MO的力偶用两个力R与R"表示，并使R′＝R＝R"，R"作用在点O，R作用在点O′，如图5－5b所示。R′与R"组成一对平衡力，将其去掉后得到作用于O′点的力R，与原力系等效。因此这个力R就是原力系的合力。显然R′＝R，而合力作用线到简化中心的距离为图5－5当MO＞0时，顺着RO的方向看〔图5－5〕，合力R在RO的右边；当MO＜0时，合力R在RO的左边。由上分析，我们可以导出合力矩定理。由图4－5c可见，合力对点之矩为mO(R)＝R•d=MO而MO＝ΣmO〔F〕那么mO(R)＝ΣmO〔F〕〔5－4〕因为O点是任选的，上式有普遍意义。于是：得到合力矩定理：平面任意力系的合力对其作用面内任一点之矩等于力系中各力对同一点之矩的代数和。例5－1重力坝断面如图5-6a所示,坝上游有泥沙淤积，水深H＝46m，泥沙厚度h＝6m，水的容重γ＝98kN/m3，泥沙的容重γ′＝8kN/m3，1m长坝段所受重力W1＝4500kN，W2＝14000kN。受力图如图5－6b所示。试将此坝段所受的力向点O简化，并求简化的最后结果。图5－6解水中任一点的相对压强与距水面的距离成正比，即在坐标为y处的水压强为p＝γ(H－y)(0≤y≤H)。同理,泥沙压强为p′＝γ′(h－y)(0≤y≤h)。所以上游坝面所受的分布荷载如图5－6b所示。为了方便计算，先将分布力合成为合力。将水压力与泥沙压力分开计算。水压力如图中大三角形所示，其合力为P1,那么P1过三角形形心，即与坝底相距。泥沙压力如图中的小三角形所示，其合力设为P2，那么P2与坝底相距现将P1、P2、W1、W2四个力向O点简化。先求主矢。Rx′＝ΣX＝P1+P2=10510kNRy′＝ΣY＝－W1－W2＝－18500kN再求对O的主矩最后求合力R＝R′，其作用线线与x轴交点坐标x为平面任意力系的平衡当平面任意力系的主矢和主矩都等于零时，作用在简化中心的汇交力系是平衡力系，附加的力偶系也是平衡力系，所以该平面任意力系一定是平衡力系。于是得到平面任意力系的充分与必要条件是：力系的主矢和主矩同时为零。即R′＝0，MO＝0〔5－5〕用解析式表示可得〔5－6〕上式为平面任意力系的平衡方程。平面任意力系平衡的充分与必要条件可解析地表达为：力系中各力在其作用面内两相交轴上的投影的代数和分别等于零，同时力系中各力对其作用面内任一点之的代数和也等于零。平面任意力系的平衡方程除了由简化结果直接得出的根本形式〔5－6〕外，还有二矩式和三矩式。二矩式平衡方程形式：〔5－7〕其中矩心A、B两点的连线不能与x轴垂直。因为当满足时，力系不可能简化为一个力偶，或者是通过A点的一合力，或者平衡。如果力系同时又满足条件，那么这个力系或者有一通过A、B两点连线的合力，或者平衡。如果力系又满足条件，其中x轴假设与A、B连线垂直，力系仍有可能有通过这两个矩心的合力，而不一定平衡；假设x轴不与A、B连线垂直，这就排除了力系有合力的可能性。由此断定，当式〔5－7〕的三个方程同时满足，并附加条件矩心A、B两点的连线不能与x轴垂直时，力系一定是平衡力系。三矩式平衡方程形式：〔5－8〕其中A、B、C三点不能共线。对于三矩式附加上条件后，式〔5－8〕是平面任意力系平衡的必要与充分条件。读者可参照对式〔5－7〕的解释自行证明。平面任意力系有三种不同形式的平衡方程组，每种形式都只含有三个独立的方程式，都只能求解三个未知量。应用时可根据问题的具体情况，选择适当形式的平衡方程。平面平行力系是平面任意力系的一种特殊情况。当力系中各力的作用线在同一平面内且相互平行，这样的力系称为平面平行力系。其平衡方程可由平面任意力系的平衡方程导出。如图5－7所示，在平面平行力系的作用面内取直角坐标系Oxy，令y轴与该力系各力的作用线平行，那么不管力系平衡与否，各力在x轴上的投影恒为零，不再具有判断平衡与否和功能。于是平面任意力系的后两个方程为平面平行力系的平衡方程。由〔5－6〕式得(5－9)由〔5－7〕式得〔5－10〕其中两个矩心A、B的连线不能与各力作用线平行。平面平行力系有两个独立的平衡方程，可以求解两个未知量。图5－7例5－2图5－8a所示为一悬臂式起重机，A、B、C都是铰链连接。梁AB自重FG＝1kN，作用在梁的中点，提升重量FP＝8kN，杆BC自重不计，求支座A的反力和杆BC所受的力。图5－8解〔1〕取梁AB为研究对象，受力图如图5－8b所示。A处为固定铰支座，其反力用两分力表示，杆BC为二力杆，它的约束反力沿BC轴线，并假设为拉力。取投影轴和矩心。为使每个方程中未知量尽可能少，以A点为矩,选取直角坐标系Axy。列平衡方程并求解。梁AB所受各力构成平面任意力系，用三矩式求解：由ΣmA＝0－FG×2－FP×3＋FTsin30º×4=0得由ΣmB＝0－FAy×4+FG×2+FP×1=0得由ΣmC＝0FAx×4×tg30º－FG×2－FP×3=0得校核ΣFx=FAx－FT×cos30º＝11.26－13×0.866＝0ΣFy=FAy－FG－FP＋FT×sin30º＝2.5－1－8－13×0.5可见计算无误。例5－3一端固定的悬臂梁如图5－9a所示。梁上作用均布荷载，荷载集度为q，在梁的自由端还受一集中力P和一力偶矩为m的力偶的作用。试求固定端A处的约束反力。图5－9解取梁AB为研究对象。受力图及坐标系的选取如图5－9b所示。列平衡方程由ΣX＝0，XA＝0ΣY＝0，YA－ql－P＝0解得YA＝ql＋P由Σm＝0，mA－ql2／2－Pl－m＝0解得mA＝ql2／2+Pl+m例5－4塔式起得机如图5－10所示。机身重G＝220kN，作用线过塔架的中心。最大起吊重量P＝50kN，起重悬臂长12m，轨道A、B的间距为4m，平衡锤重Q至机身中心线的距离为6m。试求：〔1〕确保起重机不至翻倒的平衡锤重Q的大小；〔2〕当Q＝30kN，而起重机满载时，轨道对A、B的约束反力。图5-10解取起重机整体为研究对象。其正常工作时受力如下图。求确保起重机不至翻倒的平衡锤重Q的大小。起重机满载时有顺时针转向翻倒的可能，要保证机身满载时而不翻倒，那么必须满足：NA≥0ΣmB＝0，Q〔6+2〕+2G―4NA―P解得Q≥(5P－G)／4＝7.5kN起重机空载时有逆时针转向翻倒的可能，要保证机身空载时平衡而不翻倒，那么必须满足以下条件NB≥0ΣmA＝0，Q〔6－2〕+4NB―2G解得Q≤G／2＝110kN因此平衡锤重Q的大小应满足7.5kN≤Q≤110kN当Q＝30kN，求满载时的约束反力NA、NB的大小。ΣmB＝0，Q〔6+2〕+2G―4NA―P解得NA＝(4Q+G―5P)/2＝45kN由ΣY＝0，NA＋NB－Q－G－P＝0解得NB＝Q＋G＋P－NA＝255kN第四节静定和超静定问题及物体系统的平衡从前面的讨论已经知道，对每一种力系来说，独立平衡方程的数目是一定的，能求解的未知数的数目也是一定的。对于一个平衡物体，假设独立平衡方程数目与未知数的数目恰好相等，那么全部未知数可由平衡方程求出，这样的问题称为静定问题。我们前面所讨论的都属于这类问题。但工程上有时为了增加结构的刚度或巩固性，常设置多余的约束，而使未知数的数目多于独立方程的数目，未知数不能由平衡方程全部求出，这样的问题称为静不定问题或超静定问题。图5－11是超静定平面问题的例子。图a是平面平行力系，平衡方程是2个，而未知力是3个，属于超静定问题；图b是平面任意力系，平衡方程是3个，而未知力有4个，因而也是超静定问题。对于超静定问题的求解，要考虑物体受力后的变形，列出补充方程，这些内容将在后续课程中讨论。图5－11工程中的结构，一般是由几个构件通过一定的约束联系在一起的，称为物体系统。如图5－12所示的三角拱。作用于物体系统上的力，可分为内力和外力两大类。系统外的物体作用于该物体系统的力，称为外力；系统内部各物体之间的相互作用力，称为内力。对于整个物体系统来说，内力总是成对出现的，两两平衡，故无需考虑，如图5－12b的铰C处。而当取系统内某一局部为研究对象时，作用于系统上的内力变成了作用在该局部上的外力，必须在受力图中画出，如图5－12c中铰C处的FCx和FCy。图5-12〔abc〕物体系统平衡是静定问题时才能应用平衡方程求解。一般假设系统由n个物体组成，每个平面力系作用的物体，最多列出三个独立的平衡方程，而整个系统共有不超过3n个独立的平衡方程。假设系统中的未知力的数目等于或小于能列出的独立的平衡方程的数目时，该系统就是静定的；否那么就是超静定的问题。例5－5图5－13所示的人字形折梯放在光滑地面上。重P＝800N的人站在梯子AC边的中点H，C是铰链，AC＝BC＝2m；AD＝EB＝0.5m，梯子的自重不计。求地面A、B两处的约束反力和绳DE的拉力。图5-13解先取梯子整体为研究对象。受力图及坐标系如图5－13b所示。由ΣmA＝0,NB(AC+BC)cos75º－P•ACcos75º／2＝0解得NB＝200N由ΣY＝0，NA+NB－P＝0解得NA＝600N为求绳子的拉力，取其所作用的杆BC为研究对象。受力图如图5－13c所示。由ΣmC＝0,NB•BC•cos75º－T•EC•sin75º＝0解得T=71.5N例5－6组合梁由AB梁和BC梁用中间铰B连接而成，支承与荷载情况如图如图5－14a所示。P＝20kN，q＝5kN/m，α＝45º；求支座A、C的约束反力及铰B处的压力。图5－14解先取BC梁为研究对象。受力图及坐标如图5－14b所示。由ΣmC＝0,1•P－2YB＝0解得YB＝0.5P＝0.5×20＝10kN由ΣY＝0,YB－P+NCcosα＝0解得NC＝14.14kN由ΣX＝0,XB－NCsinα＝0解得XB＝10kN再取AB梁为研究对象，受力图及坐标如图5－14c所示。由ΣX＝0,XA－XB′＝0解得XA＝XB′＝10kN由ΣY＝0,YA－Q－YB′＝0解得YA＝Q＋YB′＝2q+YB＝20kN由ΣmA＝0,mA－1•Q－2YB′＝0解得mA＝30kN•m例5－7图5－15为一个钢筋混凝土三铰刚架的计算简图，在刚架上受到沿水平方向均匀分布的线荷载q＝8kN/m，刚架高h＝8m，跨度l＝12m。试求支座A、B及铰C的约束反力。图5－15解先取刚架整体为研究对象。受力图如图5－15b所示。由ΣmC＝0,ql2/2－YAl＝0解得YA＝ql/2＝48由ΣX＝0，YA－ql＋YB＝0解得YB＝YA＝48由ΣX＝0，XA－XB＝0解得XA＝XB〔1〕再取左半刚架为研究对象。受力图如图5－15c所示。由ΣmC＝0,ql2/8＋XAh－YAl／2＝0解得XA＝18kN由〔1〕式得XA＝XB＝18kN由ΣX＝0,XA－XC＝0解得XC＝XA＝18kN由ΣX＝0，YA－ql／2＋YC＝0解得YC＝0考虑摩擦时物体的平衡前面讨论物体平衡问题时，物体间的接触面都假设是绝对光滑的。事实上这种情况是不存在的，两物体之间一般都要有摩擦存在。只是有些问题中，摩擦不是主要因素，可以忽略不计。但在另外一些问题中，如重力坝与挡土墙的滑动称定问题中，带轮与摩擦轮的转动等等，摩擦是是重要的甚至是决定性的因素，必须加以考虑。按照接触物体之间的相对运动形式，摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。本节只讨论滑动摩擦，当物体之间仅出现相对滑动趋势而尚未发生运动时的摩擦称为静滑动摩擦，简称静摩擦；对已发生相对滑动的物体间的摩擦称为动滑动摩擦，简称动摩擦。滑动摩擦与滑动摩擦定律当两物体接触面间有相对滑动或有相对滑动趋势时，沿接触点的公切面彼此作用着阻碍相对滑动的力，称为滑动摩擦力，简称摩擦力。用F表示。图5－16如图5－16所示一重为G的物体放在粗糙水平面上，受水平力P的作用，当拉力P由零逐渐增大，只要不超过某一定值，物体仍处于平衡状态。这说明在接触面处除了有法向约束反力N外，必定还有一个阻碍重物沿水平方向滑动的摩擦力F，这时的摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力可由平衡方程确定。ΣX＝0,P－F＝0。解得F＝P。可见，静摩擦力F随主动力P的变化而变化。但是静摩擦力F并不是随主动力的增大而无限制地增大，当水平力到达一定限度时，如果再继续增大，物体的平衡状态将被破坏而产生滑动。我们将物体即将滑动而未滑动的平衡状态称为临界平衡状态。在临界平衡状态下，